基于強(qiáng)度折減法的樁板墻加固邊坡穩(wěn)定性影響研究

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(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410076； 2.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 210014；3.湖南理大交通科技發(fā)展有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410014)

基于強(qiáng)度折減法的樁板墻加固邊坡穩(wěn)定性影響研究

倪號(hào)葉1,2，郭昕1，李鏢飛1，3

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410076； 2.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 210014；3.湖南理大交通科技發(fā)展有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410014)

為驗(yàn)證海南某邊坡加固方案設(shè)計(jì)的合理性，基于強(qiáng)度折減法，利用ABAQUS軟件對(duì)經(jīng)樁板墻加固后的邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析加固方案設(shè)計(jì)樁間距情況下的邊坡穩(wěn)定性和變形特性。結(jié)果表明：當(dāng)樁間距為5 m時(shí)，樁頂位移為6 cm，安全系數(shù)為1.87，這一樁間距時(shí)的樁板墻加固邊坡依然有著良好的穩(wěn)定性，且經(jīng)濟(jì)、合理，可為最終設(shè)計(jì)方案的最終確定提供計(jì)算參考。

邊坡加固； 樁板墻； 數(shù)值模擬； 方案設(shè)計(jì)

0 引言

邊坡設(shè)計(jì)中常會(huì)通過(guò)各種手段對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)算以確保方案的合理性。較傳統(tǒng)計(jì)算方法而言，目前常采用的有限元計(jì)算方法可以既快捷地計(jì)算出邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)及位移等傳統(tǒng)方法所得的結(jié)果，也能更直觀地了解整體和局部的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律；同時(shí)也能便捷地通過(guò)變換某一參數(shù)條件來(lái)假設(shè)更多的最不利情況，為更全面地評(píng)估設(shè)計(jì)方案服務(wù)。如程展林[1]等基于有限元并結(jié)合膨脹模型和折減分析法對(duì)膨脹土邊坡進(jìn)行了分析，認(rèn)為水分入滲引起的不均勻膨脹變形從而導(dǎo)致應(yīng)力場(chǎng)重新分布和強(qiáng)度折減是其破壞的主要原因。宋焱勛[2]等人基于可視化思路和有限元模型，研發(fā)了可視化邊坡穩(wěn)定性分析程序，能夠提高實(shí)際工程中復(fù)雜邊坡穩(wěn)定性的判別水平。

1 依托工程概況

海南省萬(wàn)寧市石梅灣至大花角旅游公路K6+402～K6+502左側(cè)邊坡位于南燕灣丘陵區(qū)，由原道路開挖路塹修筑后形成高陡邊坡，該處邊坡在雨季已發(fā)生過(guò)多次大規(guī)模坍塌，局部小規(guī)?；卢F(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。為防止邊坡再次垮塌并保障旅游公路修建的安全，擬采用樁板墻對(duì)邊坡進(jìn)行加固處治。通常情況下，樁間距越小則加固效果越好，考慮到該邊坡的實(shí)際情況和經(jīng)濟(jì)效益并參考了海南省同類型加固方案，初步確定樁間距為5 m，并擬采用數(shù)值模擬軟件對(duì)加固后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算和應(yīng)力應(yīng)變分布情況分析以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性。加固設(shè)計(jì)初步方案如下：

坡體中部采用樁板墻加固，加固位置以下土體采用1∶4的削坡處理。樁板墻以上土體邊坡坡度為1∶3.5，樁位置距離坡腳26.5 m，樁長(zhǎng)17 m，其中嵌固深度10 m，樁身截面為2 m×3 m的矩形截面，樁間距5 m(2.5D)，樁端距離土體底部10 m，抗滑樁間采用厚度0.4 m的擋土板剛性連接。

2 模型建立及分析

本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，采用的破壞準(zhǔn)則為摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則和最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，3個(gè)主應(yīng)力為σ1≤σ2≤σ3。屈服準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb準(zhǔn)則：

ccosφ=0

(1)

式中：φ為內(nèi)摩擦角；c為內(nèi)聚力；I1、J2為應(yīng)力張量參數(shù)；ω0為應(yīng)力羅德角。

巖體材料采用線彈性本構(gòu)模型，其應(yīng)力應(yīng)變表達(dá)式為：

(2)

式中：E和v分別為彈性模量和泊松比。

樁板墻加固邊坡的模擬計(jì)算中，在進(jìn)行邊坡模型簡(jiǎn)化時(shí)將巖土體看作各向同性的問(wèn)題來(lái)考慮，由于常規(guī)的極限平衡法不能提前確定潛在滑動(dòng)面位置和形狀，因此在模型建立時(shí)對(duì)材料接觸、邊界等問(wèn)題進(jìn)行了假設(shè)和簡(jiǎn)化，主要建模過(guò)程如下。

2.1 接觸問(wèn)題分析

對(duì)樁土表面、板土表面、樁板表面等不同材料間的接觸問(wèn)題進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置：土體與混凝土結(jié)構(gòu)間的切相接觸行為采用罰函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，法相接觸采用“硬”接觸并且允許接觸后分離；由于抗滑樁的存在，樁板墻結(jié)構(gòu)模型不能簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題，依托工程實(shí)際，按照貼近邊坡真實(shí)尺寸建模，模型的寬度采用單樁取半方案，利用對(duì)稱性，選取典型邊坡斷面，加固后的平面示意圖如圖1所示，模型示意圖取陰影部分進(jìn)行分析。

圖1 模型簡(jiǎn)化示意圖(單位： m)

2.2 數(shù)值模型與參數(shù)的設(shè)置

按前文所述的初步樁板墻加固方案對(duì)模型進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬，模型尺寸為： 坡高25 m(考慮地應(yīng)力的影響，模型高設(shè)為39 m)，坡腳距土體底部14 m，樁板墻等尺寸與加固方案一致，模型網(wǎng)格圖如圖2所示。模型計(jì)算相關(guān)參數(shù)見表1。

圖2 樁板墻加固邊坡網(wǎng)格劃分圖

表1 模型計(jì)算相關(guān)參數(shù)及信息表材料名稱密度/(kg·m-3)彈性(壓縮)模量/107Pa樁24003000擋土板24003000土19005巖石2300300泊松比粘聚力/Pa內(nèi)摩擦角/(°)材料界面尺寸/m本構(gòu)模型02矩形2×3Elastic02厚04Elastic0251000013M-C0255000056M-C

邊坡土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)由室內(nèi)試驗(yàn)得到，具體如表2所示。

表2 土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值土體容重R/(kN·m-3)天然飽和抗剪強(qiáng)度參數(shù)天然飽和c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)19201013810

2.3 初始應(yīng)力狀態(tài)與邊界條件分析

整個(gè)過(guò)程包含2個(gè)分析步，第1分析步是施加重力荷載后獲得初始應(yīng)力狀態(tài)，第2分析步是進(jìn)行強(qiáng)度折減計(jì)算。在實(shí)際施工中是先澆筑樁板結(jié)構(gòu)再回填墻后土體，鑒于回填土的方量小且高度不大，在模擬計(jì)算時(shí)可視為與地基土的沉降與變形同一時(shí)間完成。即當(dāng)墻后土體與樁板結(jié)構(gòu)同高時(shí)，開始計(jì)算地基土的自重應(yīng)力，此時(shí)為初始應(yīng)力平衡；然后將此計(jì)算結(jié)果的位移值清零，但保留計(jì)算所得的應(yīng)力值作為下一步計(jì)算的初始條件。

邊界條件在第1個(gè)分析步中設(shè)置，針對(duì)三維模型需固定3個(gè)方向上的移動(dòng)，以圖2所示為方向標(biāo)準(zhǔn)，限定左右兩個(gè)面x方向位移，限定前后兩面y方向上的位移以及限定模型底部x、y、z三個(gè)方向位移。

3 邊坡加固穩(wěn)定性分析

強(qiáng)度折減法中當(dāng)材料的強(qiáng)度參數(shù)с和φ逐漸降低會(huì)導(dǎo)致某單元的應(yīng)力與強(qiáng)度不能對(duì)應(yīng)，超過(guò)應(yīng)力允許的殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)移至周圍土體單元中，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)滑動(dòng)面(也稱為塑性貫通面)之后，土體就將失穩(wěn)。通過(guò)模擬軟件對(duì)邊坡進(jìn)行計(jì)算分析，并獲取其應(yīng)力、應(yīng)變、位移等模擬計(jì)算數(shù)值并進(jìn)行處理，所得有限元模擬計(jì)算結(jié)果及相關(guān)規(guī)律分析如下。

3.1 滑動(dòng)面分析

采用強(qiáng)度折減法判斷邊坡失穩(wěn)的依據(jù)之一就是滑動(dòng)面是否發(fā)生了塑性貫通。圖3所示為加固后狀態(tài)下計(jì)算終止時(shí)的增量位移等值線云圖，對(duì)比圖4邊坡未進(jìn)行樁板墻加固時(shí)的云圖可知，經(jīng)樁板墻加固后的邊坡?lián)鯄ξ闯霈F(xiàn)如圖4中所示的坡腳附近的塑性滑動(dòng)帶，且位移值明顯變小(約為未加固時(shí)的1/2)，可見經(jīng)加固后的邊坡下部土體穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)；但結(jié)合圖5及圖6可知，樁前土體仍然產(chǎn)生了向下的失穩(wěn)滑動(dòng)現(xiàn)象，該部分土體和樁之間已發(fā)生了部分分離，該現(xiàn)象在樁頂位置處尤為明顯。

圖3 加固后增量位移等值線云圖

圖4 未加固邊坡增量位移等值線云圖

圖5 樁身總體位移云圖

圖6 樁板與土接觸面位移云圖

3.2 抗滑樁性狀分析

抵抗坡體下滑產(chǎn)生的作用力主要由抗滑樁承擔(dān)，圖5所示，坡體發(fā)生塑性貫通時(shí)的樁身位移云圖中樁體位移由上至下呈逐漸減小趨勢(shì)，最上段向外位移最大，而下部由于嵌固在巖土中，依然顯示出了較好的錨固狀態(tài)，位移量小。圖7所示的樁身位移隨深度變化規(guī)律表明：隨樁深度的增大，位移逐漸減小。

圖7 不同樁身深度下的位移變化曲線

由圖8、圖9可知： 抗滑樁的樁后主動(dòng)土壓力比樁前的主動(dòng)土壓力分布情況更為復(fù)雜，樁前頂部至樁體錨固端之間土壓力較小，而在錨固端以下，樁前土壓力主要集中在錨固端下方且要大于樁后的數(shù)值。沿樁身中線方向選取不同深度的點(diǎn)進(jìn)行土壓力分析，得到樁身前后土壓力大小隨深度的變化情況如圖10所示，該圖顯示，樁前與樁后主動(dòng)土壓力發(fā)生明顯變化的位置一致，均為嵌入巖體處。本模型中的樁體被認(rèn)為是剛性樁，剛性樁的變形跟樁周同樣為剛性巖體的剛度有密切聯(lián)系，計(jì)算發(fā)現(xiàn)巖體的剛度和抗滑樁的剛度對(duì)樁體位移的影響量綱基本一致。

圖8 樁身應(yīng)力分布云圖

圖9 樁身最大應(yīng)力矢量分布位移云圖

圖10 樁身前后土壓力大小隨深度的變化趨勢(shì)圖

3.3 安全系數(shù)

通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)巖土體材料的с和φ值進(jìn)行逐步折減，場(chǎng)變量個(gè)數(shù)為1個(gè)(穩(wěn)定性系數(shù)Fr)，為防止迭代計(jì)算中由于連續(xù)的計(jì)算收斂導(dǎo)致過(guò)早的計(jì)算終止，將折減系數(shù)的變化范圍從1遞增至5，遞增間隔為0.25。除了с和φ值按照折減系數(shù)變化外，其余參數(shù)嚴(yán)格按照表2中的取值。繪制穩(wěn)定性系數(shù)Fr與樁頂附近處水平位移U1的關(guān)系曲線圖，以圖11中所示的關(guān)系曲線位移拐點(diǎn)值作為加固后的安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果顯示：安全系數(shù)由加固前的1.12提高到加固后的1.87，加固效果顯著。

圖11 穩(wěn)定性系數(shù)Fr與位移U1的關(guān)系曲線圖

4 結(jié)論

在對(duì)邊坡進(jìn)行了加固處治的初步設(shè)計(jì)后，通過(guò)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化并采用ABAQUS軟件對(duì)加固后的邊坡的應(yīng)力、應(yīng)變、位移情況及穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析可知：

1) 使用了前文中具體所述設(shè)計(jì)參數(shù)的樁板墻加固處治措施后，坡腳處位移有明顯減??；擋土板的受力及應(yīng)力分布情況顯示錨固作用較好，工作性能符合預(yù)期；邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)也由1.12提升至1.87，穩(wěn)定性良好。

2) 采用強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡進(jìn)行了處治后計(jì)算分析，各項(xiàng)指標(biāo)顯示設(shè)計(jì)方案符合加固預(yù)期且兼顧了工程可靠性和經(jīng)濟(jì)性，為施工圖后續(xù)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

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1008-844X(2017)03-0018-04

U 417.1+1

A

2017-07-04

海南省交通運(yùn)輸廳(hn2016010)

倪號(hào)葉(1975-)，男，高級(jí)工程師，主要從事路基路面施工。